坝库系统流固耦合数值分析方法简述
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摘要
从水体的研究角度出发,介绍有限差分法、有限体积法、有限元法、边界元法等分析方法以及Lagrange坐标系、Euler坐标系和ALE等描述方式在坝库系统相互作用中的选取与应用。通过对比分析可知:各种方式都有优点及局限性,应具体问题具体分析;ALE描述方式具有其独特优势,被较多应用在流固耦合分析领域。最后指出,对于流固耦合问题,需要在数学模型、接触边界相容条件的处理等方面进行深入研究。
The selection and application of analysis methods used in water research,such as the finite difference method(FDM),finite volume method(FVM),finite element method(FEM),and boundary element method(BEM),and methods of description such as the Lagrange coordinate system,Euler coordinate system,and arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) system,which are applied in dam-reservoir interaction research,are introduced.Through comparison and analysis,it is found that any method has advantages and limitations,and it must be capable of analyzing concrete conditions.Because of its unique advantages,the ALE description method has been more often used in the field of fluid-solid coupling.Finally,it is pointed out that further study should be conducted on the mathematical model,the contact boundary conditions,and so on.
The selection and application of analysis methods used in water research,such as the finite difference method(FDM),finite volume method(FVM),finite element method(FEM),and boundary element method(BEM),and methods of description such as the Lagrange coordinate system,Euler coordinate system,and arbitrary Lagrangian-Eulerian(ALE) system,which are applied in dam-reservoir interaction research,are introduced.Through comparison and analysis,it is found that any method has advantages and limitations,and it must be capable of analyzing concrete conditions.Because of its unique advantages,the ALE description method has been more often used in the field of fluid-solid coupling.Finally,it is pointed out that further study should be conducted on the mathematical model,the contact boundary conditions,and so on.
引文
[1]邢景棠,周盛,崔尔杰.流固耦合力学概述[J].力学进展,1997,27(1):19-38.
[2]仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论[M].成都:西南交通大学出版社,1995.
[3]仵彦卿,张倬元.岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究[J].工程地质学报,1996,4(3):40-46.
[4]柴军瑞,仵彦卿.均质土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型[J].陕西水力发电,1997,13(3):4-7.
[5]柴军瑞.大坝工程渗流力学[M].拉萨:西藏人民出版社,2001.
[6]陈平,张有天.裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析[J].岩石力学与工程学报,1994,13(4):299-308.
[7]王媛,许志英,速宝玉.复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2):177-181.
[8]柳厚祥,李宁,廖雪,等.考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(17):2870-2875.
[9]傅作新,章青.水体压缩性对挡水结构自振特性的影响[J].河海大学学报:自然科学版,1994,22(6):1-7.
[10]王忠.坝库互相作用及抗震技术研究[D].成都:四川大学,2001.
[11]刑京堂.考虑自由面线性波的流固耦合动力分析的两个变分公式[J].航空学报,1988,9(11):568-571.
[12]赵兰浩.考虑坝体-库水-地基相互作用的有横缝拱坝地震响应分析[D].南京:河海大学,2006.
[13]杜修力,王进廷,张楚汉.淤积泥砂对垂直地运动作用时刚性坝面动压力的影响研究[J].水利学报,2003,19(2):66-72.
[14]章青,傅作新.考虑库底吸收性作用时挡水坝的抗震分析[J].河海大学学报:自然科学版,1988(6):6-10.
[15]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.
[16]吴一红,谢省宗.水工结构流固耦合动力特性分析[J].水利学报,1995,11(1):27-34.
[17]吴一红,李世琴,谢省宗.拱坝-库水-地基耦合系统坝身泄洪动力分析[J].水利学报,1996,12(11):6-12.
[18]傅作新,王立新,章青.拱坝的动水压力和拱坝库水的相互作用分析[C]//中国地震学会地震工程专业委员会.第三届全国地震工程会议论文集(Ⅲ).大连:中国地震学会地震工程专业委员会,1990:1271-1276.
[19]李德玉,张伯艳,王海波,等.重力坝坝体-库水相互作用的振动台试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2003,1(3):216-220.
[20]华蕾娜.ALE分步有限元法研究及其在自由表面水波问题中的应用[D].天津:天津大学,2005.
[21]蒋莉,沈孟育.求解流体与结构相互作用问题的ALE有限体积方法[J].水动力学研究与进展:A辑,2000,15(2):148-154.
[22]HUERT A,LIU W K.Viscous flow with large free surfacemotion[J].Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering,1998,69:277-324.
[23]DONEAJ.Ataylor-galerkin method for convective transportproblem[J].International Journal for Numerical Methods inEngineering,1984,20(1):101-119.
[24]HAYASHI M,HATANAKA K,KAWAHARA M.Lagrangianfinite element methodfor free surface navier-stokes flowusingfractional step methods[J].International Journal for NumericalMethods in Fluids,1991,13(7):805-840.
[25]刘云贺,俞茂宏,王克成.流体-固体瞬态动力耦合有限元分析研究[J].水利学报,2002,18(2):85-89.
[26]刘云贺,俞茂宏,陈厚群.流体固体动力耦合分析的有限元法[J].工程力学,2005,22(6):1-6.
[27]宋崇民,张楚汉.水坝抗震分析的动力边界元方法[J].地震工程与工程振动,1988,8(4):14-25.
[28]黄玉盈,金涛,倪樵,等.变水深坝-库系统耦振分析的边界元-有限元混合法[J].固体力学学报,1998,19(3):245-51.
[29]TJHEN L S,YU G Y.Application of BEM/FEMcouplingprocedure to dynamic fluid-structure interaction problems[J].International Journal of Computational Engineering Science,2002,3(4):425-433.
[30]杜修力,王进廷.动水压力及其对坝体地震反应影响的研究进展[J].水利学报,2001,17(7):13-21.
[31]王进廷.高混凝土坝-可压缩库水-淤砂-地基系统地震反应分析研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2001.
[32]杜修力,陈厚群,侯顺载.拱坝系统三维非线性地震波动分析[J].地震工程与工程振动,1996,16(3):39-47.
[33]DU Xiu-li,ZHANG Yan-hong,ZHANG Bo-yan.Nonlinearseismic response analysis of arch dam-foundation systems-parI dam-foundation rock interaction[J].Bulletin of EarthquakeEngineering,2007,5(1):105-119.
[34]李小军,廖振鹏,杜修力.有阻尼体系动力问题的一种显式解法[J].地震工程与工程振动,1992,12(4):74-79.
[35]江春波,邢秀英,张庆海.用分步有限元法求解三维不可压缩流动[J].清华大学学报:自然科学版,2004,44(8):110-113.
[36]江春波,徐照明,李秀丽.求解不可压缩流动的分步有限元格式[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(2):278-280.
[37]NOHC E L.Atime-dependent two-space-dimension coupledEulerian-Lagrangian code[J].Methods in computationalPhysics,1964,3:123-144.
[38]岳宝增,刘延柱.带自由液面Navier-Stokes流动问题的ALE分步有限元方法[J].水动力学研究与进展:A辑,2003,18(4):463-469.
[39]陈大宏,李炜.自由表面流动数值模拟方法的探讨[J].水动力学研究与进展:A辑,2001,16(2):216-223.
[40]NOMURA T.ALE finite element computations of fluid-structure interaction problems[J].Computer Methods inApplied Mechanics and Engineering,1994,112:291-308.
[41]岳宝增,刘延柱,王照林.非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法[J].力学季刊,2001,22(1):34-39.
[42]YANG R,TSAI C S,LEE G C.Procedure for time-domainseismic analysis of concrete dams[J].Journal of theEngineering Mechanics,ASCE,1996,122(2):116-122.
[43]BERMUDEZ A,DURAN R,RODRIGUEZ R.Finite elementsolution of incompressible fluid-structure vibration problems[J].International Journal for Numerical Methods inEngineering,1997,40:1435-1448.
[44]王进廷,杜修力,张楚汉.重力坝-库水-淤砂-地基系统动力分析的时域显示有限元模型[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(8):1112-1115.
[45]SORIA A,CASADEI F.Arbitrary Lagrangian-Eulerianmulticomponent compressible flow with fluid-structureinteraction[J].International Journal for Numerical Methods inFluids,1997,25:1263-1284.
[46]张建海,陈大鹏.考虑固体与几何非线性的固液耦合系统瞬态有限元分析[J].计算结构力学及其应用,1995,12(4):451-461.
[2]仵彦卿,张倬元.岩体水力学导论[M].成都:西南交通大学出版社,1995.
[3]仵彦卿,张倬元.岩体系统渗流场与应力场耦合的广义双重介质模型的应用研究[J].工程地质学报,1996,4(3):40-46.
[4]柴军瑞,仵彦卿.均质土坝渗流场与应力场耦合分析的数学模型[J].陕西水力发电,1997,13(3):4-7.
[5]柴军瑞.大坝工程渗流力学[M].拉萨:西藏人民出版社,2001.
[6]陈平,张有天.裂隙岩体渗流场与应力场耦合分析[J].岩石力学与工程学报,1994,13(4):299-308.
[7]王媛,许志英,速宝玉.复杂裂隙岩体渗流与应力弹塑性全耦合分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(2):177-181.
[8]柳厚祥,李宁,廖雪,等.考虑应力场与渗流场耦合的尾矿坝非稳定渗流分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(17):2870-2875.
[9]傅作新,章青.水体压缩性对挡水结构自振特性的影响[J].河海大学学报:自然科学版,1994,22(6):1-7.
[10]王忠.坝库互相作用及抗震技术研究[D].成都:四川大学,2001.
[11]刑京堂.考虑自由面线性波的流固耦合动力分析的两个变分公式[J].航空学报,1988,9(11):568-571.
[12]赵兰浩.考虑坝体-库水-地基相互作用的有横缝拱坝地震响应分析[D].南京:河海大学,2006.
[13]杜修力,王进廷,张楚汉.淤积泥砂对垂直地运动作用时刚性坝面动压力的影响研究[J].水利学报,2003,19(2):66-72.
[14]章青,傅作新.考虑库底吸收性作用时挡水坝的抗震分析[J].河海大学学报:自然科学版,1988(6):6-10.
[15]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.
[16]吴一红,谢省宗.水工结构流固耦合动力特性分析[J].水利学报,1995,11(1):27-34.
[17]吴一红,李世琴,谢省宗.拱坝-库水-地基耦合系统坝身泄洪动力分析[J].水利学报,1996,12(11):6-12.
[18]傅作新,王立新,章青.拱坝的动水压力和拱坝库水的相互作用分析[C]//中国地震学会地震工程专业委员会.第三届全国地震工程会议论文集(Ⅲ).大连:中国地震学会地震工程专业委员会,1990:1271-1276.
[19]李德玉,张伯艳,王海波,等.重力坝坝体-库水相互作用的振动台试验研究[J].中国水利水电科学研究院学报,2003,1(3):216-220.
[20]华蕾娜.ALE分步有限元法研究及其在自由表面水波问题中的应用[D].天津:天津大学,2005.
[21]蒋莉,沈孟育.求解流体与结构相互作用问题的ALE有限体积方法[J].水动力学研究与进展:A辑,2000,15(2):148-154.
[22]HUERT A,LIU W K.Viscous flow with large free surfacemotion[J].Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering,1998,69:277-324.
[23]DONEAJ.Ataylor-galerkin method for convective transportproblem[J].International Journal for Numerical Methods inEngineering,1984,20(1):101-119.
[24]HAYASHI M,HATANAKA K,KAWAHARA M.Lagrangianfinite element methodfor free surface navier-stokes flowusingfractional step methods[J].International Journal for NumericalMethods in Fluids,1991,13(7):805-840.
[25]刘云贺,俞茂宏,王克成.流体-固体瞬态动力耦合有限元分析研究[J].水利学报,2002,18(2):85-89.
[26]刘云贺,俞茂宏,陈厚群.流体固体动力耦合分析的有限元法[J].工程力学,2005,22(6):1-6.
[27]宋崇民,张楚汉.水坝抗震分析的动力边界元方法[J].地震工程与工程振动,1988,8(4):14-25.
[28]黄玉盈,金涛,倪樵,等.变水深坝-库系统耦振分析的边界元-有限元混合法[J].固体力学学报,1998,19(3):245-51.
[29]TJHEN L S,YU G Y.Application of BEM/FEMcouplingprocedure to dynamic fluid-structure interaction problems[J].International Journal of Computational Engineering Science,2002,3(4):425-433.
[30]杜修力,王进廷.动水压力及其对坝体地震反应影响的研究进展[J].水利学报,2001,17(7):13-21.
[31]王进廷.高混凝土坝-可压缩库水-淤砂-地基系统地震反应分析研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2001.
[32]杜修力,陈厚群,侯顺载.拱坝系统三维非线性地震波动分析[J].地震工程与工程振动,1996,16(3):39-47.
[33]DU Xiu-li,ZHANG Yan-hong,ZHANG Bo-yan.Nonlinearseismic response analysis of arch dam-foundation systems-parI dam-foundation rock interaction[J].Bulletin of EarthquakeEngineering,2007,5(1):105-119.
[34]李小军,廖振鹏,杜修力.有阻尼体系动力问题的一种显式解法[J].地震工程与工程振动,1992,12(4):74-79.
[35]江春波,邢秀英,张庆海.用分步有限元法求解三维不可压缩流动[J].清华大学学报:自然科学版,2004,44(8):110-113.
[36]江春波,徐照明,李秀丽.求解不可压缩流动的分步有限元格式[J].清华大学学报:自然科学版,2002,42(2):278-280.
[37]NOHC E L.Atime-dependent two-space-dimension coupledEulerian-Lagrangian code[J].Methods in computationalPhysics,1964,3:123-144.
[38]岳宝增,刘延柱.带自由液面Navier-Stokes流动问题的ALE分步有限元方法[J].水动力学研究与进展:A辑,2003,18(4):463-469.
[39]陈大宏,李炜.自由表面流动数值模拟方法的探讨[J].水动力学研究与进展:A辑,2001,16(2):216-223.
[40]NOMURA T.ALE finite element computations of fluid-structure interaction problems[J].Computer Methods inApplied Mechanics and Engineering,1994,112:291-308.
[41]岳宝增,刘延柱,王照林.非线性流固耦合问题的ALE分步有限元数值方法[J].力学季刊,2001,22(1):34-39.
[42]YANG R,TSAI C S,LEE G C.Procedure for time-domainseismic analysis of concrete dams[J].Journal of theEngineering Mechanics,ASCE,1996,122(2):116-122.
[43]BERMUDEZ A,DURAN R,RODRIGUEZ R.Finite elementsolution of incompressible fluid-structure vibration problems[J].International Journal for Numerical Methods inEngineering,1997,40:1435-1448.
[44]王进廷,杜修力,张楚汉.重力坝-库水-淤砂-地基系统动力分析的时域显示有限元模型[J].清华大学学报:自然科学版,2003,43(8):1112-1115.
[45]SORIA A,CASADEI F.Arbitrary Lagrangian-Eulerianmulticomponent compressible flow with fluid-structureinteraction[J].International Journal for Numerical Methods inFluids,1997,25:1263-1284.
[46]张建海,陈大鹏.考虑固体与几何非线性的固液耦合系统瞬态有限元分析[J].计算结构力学及其应用,1995,12(4):451-461.
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